基于视觉物联网的船用岸电安全系统及船用岸电功率补偿方法
【专利摘要】本发明涉及船舶电力系统的控制系统，具体是一种基于视觉物联网的船用岸电安全系统及功率补偿方法。其系统中还包括有对所述船用岸电箱、变压器和功率补偿模块进行监测的多组多波段视觉传感模块，每一组多波段视觉传感模块包括依次排列的紫外线阵列传感器、可见光图像传感器和红外热电堆传感器三个独立的传感器，能够监测被测位置的红外线、可见光和紫外线辐射的变化。本发明能够应用于现有船舶高、低压岸电装置中的集成化程度高、电能利用率高、监测优化、可扩展性强、安全可靠。
【专利说明】
基于视觉物联网的船用岸电安全系统及船用岸电功率补偿方法
技术领域
[0001]本发明涉及船舶电力系统的控制系统，具体是一种基于视觉物联网的船用岸电安全系统及功率补偿方法。
【背景技术】
[0002]船舶岸电是指船舶在靠泊期间停止使用船上的发电机，船上通风、照明、制冷等其他设施运转都改由码头供电，从而减少船舶废气排放的供电方式。岸电系统主要由港区变电所、岸上电源装置、岸电接收装置和电缆连接设备等组成。船舶岸上电源根据电压不同，可分为高压岸电系统和低压岸电系统。高压岸电系统主要是指岸电电源的输出为6.6kV/IlkV或者以上的岸电电源系统，对于大型船舶来说，船上各种电气设备负荷很大，往往采用中高压供电。低压岸电系统主要是指岸电电源的输出为440 V/ 400 V的岸电电源系统，通常为用电负荷较小的船舶所采用。由于船用设备一般是电感类设备，具有较低的功率因数和较多的谐波干扰，因此在使用岸电的过程中，需使用功率补偿模块和谐波抑制模块进行系统级的有功功率提升，提尚电能的利用率。
[0003]现有岸电系统存在的主要缺陷有:
1、安全监控中，通常采用常规传感装置对船用岸电箱、变压器、功率补偿模块进行温度监控，传感监测点固定、传感方式方式单一、监测的发热范围小，难以兼顾对设备发热、接头打火、火灾等多种设备安全隐患的监测；
2、功率补偿策略由位于船上的船用岸电系统根据船用设备的工作状态和参数信息直接生成，无法兼顾岸上电网系统的运行状态信息，因此难以获得最佳的功率补偿策略，不利于整个系统的可靠运行。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够应用于现有船舶高、低压岸电装置中的集成化程度高、电能利用率高、监测优化、可扩展性强、安全可靠的基于视觉物联网的船用岸电安全系统及船用岸电功率补偿方法。
[0005]本发明的基于视觉物联网的船用岸电安全系统，包括有:位于港口岸上的与智能电网连接的岸基变电站;位于船上的船用岸电箱，用来连接岸基变电站，其输出端经过变压器和自动并车装置连接船用供电网络;功率补偿模块，连接船用供电网络，对船用供电网络进行功率补偿;位于船上的船用岸电控制模块，用来控制岸电和船用发电机的切换以及功率补偿模块的补偿策略;其特征是:系统中还包括有对所述船用岸电箱、变压器和功率补偿模块进行监测的多组多波段视觉传感模块，每一组多波段视觉传感模块包括依次排列的紫外线阵列传感器、可见光图像传感器和红外热电堆传感器三个独立的传感器，能够监测被测位置的红外线、可见光和紫外线辐射的变化。
[0006]所述多波段视觉传感模块中的各独立传感器的探测头均安装在竖直的转轴上，并可绕转轴在± 30 °范围内转动，以跟踪和定位故障点。
[0007]本发明的基于视觉物联网的船用岸电安全系统还包括有位于岸上的港口岸电云平台，用来对岸上电网信息进行处理;港口岸电云平台连接有一个存储不同功率补偿策略数据的功率补偿策略数据库;港口岸电云平台还与智能电网的数据部分通讯连接，用来获取岸上电网状态信息，作为生成功率补偿策略的依据之一;港口岸电云平台通过无线通讯方式与所述船用岸电控制模块连接并交换信息。
[0008]所述港口岸电云平台通过IEC61850网关与智能电网的数据部分通讯;港口岸电云平台与船用岸电控制模块之间的通讯，以及船用岸电控制模块与各组多波段视觉传感模块的通讯均采用IEC61850通讯协议。
[0009]本发明的船用岸电功率补偿方法是:
设置位于岸上的港口岸电云平台，用来对岸上电网信息进行处理;港口岸电云平台连接有一个存储不同功率补偿策略数据的功率补偿策略数据库;港口岸电云平台与智能电网的数据部分通讯连接，用来获取岸上电网状态信息；港口岸电云平台通过无线通讯方式与所述船用岸电控制模块连接并交换信息；
船用岸电的功率补偿策略生成过程是:由港口岸电云平台分别获取来自岸上智能电网的岸上电网运行信息和来自船用岸电控制模块的船上供电及用电设备信息，将获取的信息与功率补偿策略数据库中存储的数据进行比对和处理，进而生成功率补偿策略。
[0010]本设计将视觉物联网与船舶岸电技术联合起来，实现了一种基于视觉物联网的船用岸电安全系统。该系统充分考虑岸电系统中各重要设备的多波段视觉信息在岸电安全运行中的作用，同时以电网电能质量为依据，在智能电网、港口岸电云平台、船用岸电系统之间建立信息的闭环反馈，实现岸电系统的功率平衡。此外，本系统监控集中、操作方便、可靠性高、可扩展性强，充分满足IEC/IS0/IEEE 80005-1的各项功能和要求，适用现有的各大港口、各类岸电系统，具有广阔的经济价值和市场潜力。与现有技术相比，本发明具有如下优占.V.1、采用独创的多波段视觉传感模块可以评估岸电系统所有重要设备的健康状态，预测及发现各类故障，比如发热(红外热电堆)、接头打火(红外热电堆+紫外线阵列)、火灾(可见光+红外热点堆)等。通过其数据处理模块，可以实现多波段图像的校正、融合、特征提取，结合岸电系统的电压、电流、功率等信号的监测，解决了现有岸电系统的健康监测数据不充分的问题。
[0011]2、采用IEC61850通讯协议，将智能电网、港口岸电云平台、船用岸电控制模块连接起来。以智能电网的电能质量为评价标准，依托大数据平台向各类船舶提供最优的、可实时调节的功率平衡策略，解决了现有岸电系统功率分配与电网电能信息的信息交互、协同调节问题。
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例的系统原理图；
图2是本发明实施例的多波段视觉传感模块的排列结构示意图；
图3是本发明实施例的多波段视觉传感模块中一个独立传感器的结构示意图。
【具体实施方式】
[0013]本发明实施例的多波段视觉感知模块结构如图2所示:紫外线阵列传感器1、可见光图像触感器2、红外热电堆传感器3依次从上至下放置，且传感器之间有黑色ABS间隔层4。三种传感器的型号依次为:GT-ABC-L、PIXIS科学级CCD探测器、HMS Jll F5.5。如图3所示，每个传感器都单独连接一个竖直的转轴5，因此每个传感器都可单独转动，并所在波段的光强自动将视场中心对准目标，平面转动范围为±30°。数据后处理模块采用ARM+DSP双核结构(ARM型号:STM32F4XXX，DSP型号:DM6XXX) JRM内核负载模块的初始化自检、数据采集、IEC61850规约转换、数据上传、横向转动轴控制。DSP负责三个传感器数据的校正、特征提取。整个模块包含了包含了 12C、USB、Camera、TCP/IP、光纤接口，配备了 SANDISK大容量固态硬盘和4G内存。此外，模块采用直流24V供电。
[0014]多波段视觉传感模块的工作过程，详细说明如下:
上电自检。ARM向三个传感器的内存区写入其自带的自检指令，若返回值与预先校验值一致，则说明三个传感器状态完好;同时运行自检程序，检测ARM各接口的完好状态。
[0015]船用岸电控制模块根据被测目标的安装位置、环境，设置紫外、红外、可见光波段的光强及其变化率阈值。阈值的初始值一般设置为所属波段环境光强的1.5倍。同时，将三个传感器的横向移动轴位置设置在O °。
[0016]3、协议转化、应答。ARM完整IEC61850的规约映射、并与船用岸电控制模块进行预通讯，确认通信链路状态完好。
[0017]4、正常工作。当被测目标在某个波段出现光强瞬时增加或光强变化率过快时，ARM内核通过计算光强异常的方位设定移动的角度，其他两个传感器均按照该角度进行移动。若出现2个及以上传感器感应到光强异常，则根据各自的计算结果设定角度。DSP内核负责对三个传感器获得信息进行图像校正、特征提取(频谱峰值、小波谱峰值)、图像融合。ARM内核最终将图像融合(JPG)，特征提取)结果传输至船用岸电控制模块用于设备工作状态判断。
[0018]数据传输格式为[*JPG，紫外波段频谱峰值，可见光频谱峰值，红外波段频谱峰值，紫外波段小波谱峰值，可见光小波谱峰值，红外波段小波谱峰值]。
[0019]多组多波段视觉传感模块C分别位于船用岸电箱、变压器和功率补偿模块处(如图1)，对这些位置进行监测。
[0020]下面根据图1具体描述“一种基于视觉物联网的船用岸电安全系统的工作方法”
如图1所示:船舶靠港使用岸电分为两部分:岸上部分和船上部分。
[0021 ]岸上部分包括智能电网(国家)、岸基输变站(高压变频)、电缆系统、港口岸电云平台。其中港口岸电云平台与智能电网通过IEC61850智能网关相连，与船用岸电控制模块通过无线方式，亦采用IEC61850通信标准进行通讯。
[0022]船上部分包括船用岸电箱(作用:连接岸上电源且包含应急继电保护装置)，船用变压器(降压)、自动并车装置(岸/船同时供电)、船用岸电控制模块、谐波抑制模块、功率补偿模块、船用数字干式负载箱(配合功率补偿模块)、不间断电源、触摸屏(搭配船用岸电控制模块，作为控制及显示界面)、IEC61850通信模块。
[0023]一种基于视觉物联网的船用岸电安全系统的工作方法，具体过程如下: 1、岸电连接就绪。船舶靠港后，需要电缆绞车设备将船/岸系统连接起来。由于船/岸供电方式不同，因此船用岸电控制需要实时监控每个等电位检测器的状态，确保电力基准一致。同时，岸电连接电缆的状态是重点检测对象，特别是使用恒张力控制的绞车时，本系统将实时监测电缆最大张力、电缆剩余长度、岸电插座的导线插头状态。以上监测点，贯穿整个岸电使用过程。若出现异常，则迅速切断船/岸供电开关，停止岸电使用;若状态正常，船用岸电控制模块将向岸电云平台发出“就绪”指令以进行后续过程。
[0024]2、岸电系统初始巡检。
[0025]船用岸电设备的初始巡检:包括船用岸电控制模块、多波段视觉感知模块、功率补偿模块的初始化自检。船用岸电控制模块初始化包括I /0 口、时钟、AD、DA、视频、网络、USB、IEC61850标准映射及应答、电信号故障保护阈值、功率补偿模块参数的初始设置。多波段视觉感知模块初始化包括多波段视觉传感器的参数初始化及自检、多波段光强阈值初始化、横向移动轴位置初始化、IEC61850协议映射及应答。船用岸电控制模块作为系统核心。其监测如下信号:岸电电缆定向接地故障、电压状态、频率状态、谐波状态、欠压保护器状态、过电流保护器状态、短路保护状态、接地故障状态以及岸电控制与监测线路状态。为了在岸电发生重大故障时切断岸电系统，船用岸电箱以及岸电电缆绞车控制箱等处均设置应急切断按钮，这些按钮信号均接入该控制模块。以上这些信号均有特定的传感器获取。
[0026]岸电系统中的船用变压器、功率补偿模块、船用岸电箱均属于易产生热故障的设备，因此设置了多个多波段视觉传感模块，以获取目标设备的多谱段量化信息。在本阶段，由船用岸电控制模块对所有的传感器进行自检、参数设置，并将系统的状态传输至岸电云平台。船用岸电控制模块与港口岸电云平台的信息交互内容包括:船型、船上用电设备信息、功率补偿模块型号及参数类型、现场泊位信息。
[0027]3、岸电系统功率平衡
船用岸电控制模块发出指令，当岸电与船电当电压、频率、相位一致时开始自动并车。在上述过程中，一旦出现短路、过流、过压、多波段视觉传感信息变化异常，船用岸电控制模块迅速切断船/岸之间的电气连接。若一切正常，则进入功率初平衡状态。依据电网电能质量评价指标(电能质量来源于(I)GB 12325-2008《供电电压允许偏差》；(2)GB/T 14549 —1993《公用电网谐波》；(3)GT/T 15543 — 1995《三相电压允许不平衡度》；(4)GB/T15945-2008《电力系统频率允许偏差》；(5)GB 12326 — 2008《电压允许波动和闪变》；(6)GB/T 18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》)为标准，港口岸电云平台根据智能电网的信息反馈，更新功率补偿策略并传输给船用岸电控制模块，逐个接入船上感性负载，同时平稳减小数字干式负载，直至完全断开，完成功率平衡。以有源功率补偿模块为例，功率补偿策略包括SPffM波的频率、占空比、PID闭环调节参数，所有的策略初始化和更新信息都通过智能电网的先验经验获得。
【主权项】
1.一种基于视觉物联网的船用岸电安全系统，包括有:位于港口岸上的与智能电网连接的岸基变电站;位于船上的船用岸电箱，用来连接岸基变电站，其输出端经过变压器和自动并车装置连接船用供电网络;功率补偿模块，连接船用供电网络，对船用供电网络进行功率补偿;位于船上的船用岸电控制模块，用来控制岸电和船用发电机的切换以及功率补偿模块的补偿策略;其特征是: 系统中还包括有对所述船用岸电箱、变压器和功率补偿模块进行监测的多组多波段视觉传感模块，每一组多波段视觉传感模块包括依次排列的紫外线阵列传感器、可见光图像传感器和红外热电堆传感器三个独立的传感器。2.根据权利要求1所述的基于视觉物联网的船用岸电安全系统，其特征是:所述多波段视觉传感模块中的各独立传感器的探测头均安装在竖直的转轴上，并可绕转轴在±30°范围内转动。3.据权利要求1所述的基于视觉物联网的船用岸电安全系统，其特征是:该系统还包括有位于岸上的港口岸电云平台，用来对岸上电网信息进行处理;港口岸电云平台连接有一个存储不同功率补偿策略数据的功率补偿策略数据库;港口岸电云平台还与智能电网的数据部分通讯连接，用来获取岸上电网状态信息；港口岸电云平台通过无线通讯方式与所述船用岸电控制模块连接并交换信息。4.据权利要求3所述的基于视觉物联网的船用岸电安全系统，其特征是:所述港口岸电云平台通过IEC61850网关与智能电网的数据部分通讯;港口岸电云平台与船用岸电控制模块之间的通讯，以及船用岸电控制模块与各组多波段视觉传感模块的通讯均采用IEC61850通讯协议。5.一种船用岸电功率补偿方法，其特征是: 设置位于岸上的港口岸电云平台，用来对岸上电网信息进行处理;港口岸电云平台连接有一个存储不同功率补偿策略数据的功率补偿策略数据库;港口岸电云平台与智能电网的数据部分通讯连接，用来获取岸上电网状态信息；港口岸电云平台通过无线通讯方式与所述船用岸电控制模块连接并交换信息； 船用岸电的功率补偿策略生成过程是:由港口岸电云平台分别获取来自岸上智能电网的岸上电网运行信息和来自船用岸电控制模块的船上供电及用电设备信息，将获取的信息与功率补偿策略数据库中存储的数据进行比对和处理，进而生成功率补偿策略。
【文档编号】H02J3/26GK106026046SQ201610541955
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月11日
【发明人】李垣江, 陈梦, 王利鹃
【申请人】江苏奥畋工程科技有限公司